集中冷站水系统设备控制方案设计

林 愉,李 辉

(1.广东白云学院机电系,广州510450;2.江西理工大学机电工程学院,赣州341000)

1 引 言

集中冷站是实现中央空调系统制冷功能的冷源,主要负责在单位时间内制备充足的冷冻水量,同时输向多个中央空调系统的末端空调设备,以满足多个用户群空调的需求。集中冷站由一个庞大的设备群组成,主要包括:冷水机组、冷却塔、冷却水泵、冷冻泵、分水器、集水器、恒压罐、水处理设备、蝶阀、和水管路等。

当所有设备安全、合理的协同运作时,冷站水系统才能最大限度的发挥出生产能力,为此,研究和设计科学合理的集中冷站设备控制方案,是确保水系统设备群安全协同运作的关键,实现中央空调系统发挥最大制冷功能的基础。设备控制方案主要包括:低压配电控制和自动化控制。前者负责向设备提供动力用电,实现设备正常开机、运行和停机,同时切断故障设备电源,保证设备的电气安全性;后者,主要对设备运行状态进行监控,实现设备的远程启、停控制,及时将设备的运行状态和故障报警信息反馈到监控中心视屏上,以便监控中心随时掌控设备运行情况并及时处理各种事故。

2 低压配电控制方案的设计

设备低压配电控制主要针对水系统中的机电设备,控制方案如图1所示。电源经变压器整定变压到设备所需电压后,通过电缆线或电缆母排从变电所引至配电房,接入电控柜主空气开关的上桩,然后从主空气开关下桩接至控制柜各单元的电控抽屉内空气开关上桩,最后从电控抽屉接入现场设备电源输入端。考虑到有些设备每天24小时不间断运行,为确保设备不断电,引入来自不同发电厂的两路电源到配电室的电控柜,以确保设备的连续正常运行。

图1 低压配电控制方案

2.1 电控抽屉控制原理

电控抽屉是控制现场设备动作的开关柜,主要用于控制可直接启动的设备开停机,柜内装有空气开关、过载保护器、继电器、主、辅接触器、远控和配控转换开关、指示灯、电流表、电压表和热继电器等设备。当设备载超过电流运行时,空气开关和过载保护器会自动跳开,使设备断电,同时过载保护器会自动记入设备故障时的电气运行参数。

电控抽屉控制原理:通过弱电控制强电导通,将远控和配控转换开关打至配控挡,按下开机按钮,抽屉内开机继电器得电吸合,并使辅、主接触器先后得电吸合,从而使电控抽屉所控设备得电启动运行。

将远控和配控转换开关打至配控挡,按下停机按钮,抽屉内停机继电器吸合,并控制辅、主接触器先后失电断开,从而使现场设备断电停机。当设备过电流运行一段时间时,抽屉内过载保护器会动作,控制抽屉内主电源空气开关断开,使电控抽屉和现场设备失电,设备停止运行。

2.2 电动机控制原理

冷站大部分设备属于旋转动力机械,多由三相异步电机带动旋转做功。这些旋转动力机械的低压配电控制主要通过电机控制实施。电机控制主要实现电机正常启、停;降低电机启、停对供电网的冲击;对电机短路、过载、堵转和断路等事故状态,进行电气安全保护。对于小功率电机,当其功率与供电变压器容量比值小于20%,可允许直接启动,如冷站设备中的电动蝶阀驱动电机和补水泵等小功率电机。对于大功率电机采用软启动、星三角启动或变频启动,改变电机的启动电压和电阻,降低电机启动电流,改变电机的启动转矩,以减少起动瞬时电流对电网的冲击;待电机运转平稳,启动电流降低后,恢复电机的正常供电电压,实现电机的平稳运行。

2.2.1 大功率电机软启动原理 当电机功率较大,启动电流很大时,采用软启动器使电机软启动。在启动过程中,软启动器改变电机的输入电压,使电压按预设的函数变化关系逐渐加大,电机转速和启动转矩也逐渐增大,当电机完全启动时,电机输入电压增至全压。软启动的方式包括:脉冲冲击启动、斜波升压软启动、阶跃启动和斜波恒流软启动。对于冷站水系统泵类设备,较常采用斜波恒流软启动,在电机启动初级阶段,逐渐增加启动电流,当电流升至预设的整定值后,保持恒定,直到启动完毕。电流的变化速率根据电机的负载情况进行调定,电流的变化速率快,则电机的启动时间短,输出转矩大。同时,软启动器可以对电机进行软停机,如水泵停机时,为防止水锤效应,不能瞬间停机,可通过软启动器,使水泵在一段时间内由运行状态逐渐过渡到完全停机状态。

2.2.2 大功率电机星—三角降压启动原理 冷站设备中的冷水机组电机功率较大,设计采用星-三角转换降压启动,星形启动的转矩只有三角启动转矩的1/3。此启动方式所需设备简单、造价低、启动电流小,但启动转矩小,启动电压不能按实际需要调节,仅适用于空载或轻载启动的场合。

2.2.3 电机变频启动原理 冷站冷冻二次泵主要负责为冷冻水在集水器、末端空调机组和分水器之间循环流动提供动力,由于末端空调区域的冷负荷适时变化,因此对冷冻水量的需求也应适时变化。为满足制冷工况的变化需求,冷冻二次泵采用变频器控制启动和运行,调节水泵转速,使水泵流量满足用户需求。变频器通过整流装置将输入的三相交流电转换成直流电,然后再通过逆变装置把直流电转换成电压和频率可变的交流电。

冷冻泵变频运行的频率值,通过自控系统根据安装于末端空调区域的温度传感器和湿度传感器检测的温度和湿度,计算出末端空调区域的冷负荷以及所需的冷冻水量来确定,并由自控系统向变频器发出运行该频率值的指令,实现变频器带动水泵在该频率工况下运行。

3 设备自动化控制方案设计

冷站水系统设备自动化控制的主要目的是:监控设备运行状态,适时将设备运行情况反馈到监控视屏,方便工作人员及时了解设备运行情况,及时处理各种突发事件;实现设备的远程开、停机;运用相应的开、停机模式,优化设备的开停机顺序和间隔时间,实现设备高效的自动开停机。自控系统主要从低压配电系统获取相应的控制点,将控制线路接至配电室内电控柜各相应电控抽屉内的继电器上,通过控制相关的继电器,控制抽屉内接触器吸合和断开;而且通过相应的继电器接收设备的状态反馈信号;同时还引线至就地控制箱,接收就地控制箱的运行反馈信号。自控系统将控制线路接入变频器的控制主板,控制变频器的运行频率和接受变频器运行反馈信息。自控系统与冷水机组也设置有通信接口,将控制线路接至机组的控制主板,以控制机组开停机和接收机组的状态信息。

冷站自控系统主要由工控上位机、PLC控制系统、交换机、温湿度传感器、压力传感器、流量计、UPS不间断电源、通信线缆和输入输出模块等设备组成。通过汇编计算机语言编程,可在系统的上位工控机显示屏上实现各设备的可视控制画面,点选设备图标,即出现设备开、停机的控制按钮,点选这些按钮即可实现设备的开、停机。冷站自控系统把从终端设备 (电控柜抽屉、变频器、冷水机组控制主板、就地控制箱和各类传感器等)采集的信息,经过通信线缆传送到下位机输入输出模块,再由输入输出模块传送到PLC控制系统,经PLC控制系统处理后,由PLC控制系统传送到上位工控机,将信息显示在工控机显示屏上,让工作人员及时了解设备信息 (作为历史记录保存在工控机内,方便以后查阅),从而在工控机上发出各项指令。指令从工控机上传输到PLC控制系统,经PLC控制系统处理后,被传送到输入输出模块,再由输入输出模块传输到相应终端设备的控制面板,控制设备进行相应的操作。设备动作后再将状态信息反馈到上位工控机显示屏上。自动化控制原理示意图如图2所示。

3.1 自控系统正常模式开停机注意事项

自控系统正常模式开停机主要用于设备的正常开停机,各类控制模式用计算机汇编语言编程,写入PLC控制系统,当用户选中执行某一模式时,控制系统将自动执行相应的程序。当然,模式执行成功与否与现场设备状态有关。

用模式统一开机时,需合理的制定各设备的开机顺序和开机间隔时间,应避免多台设备同时启动,使启动电流过大,造成电网跳闸。对于水系统设备,开机顺序不当,可能导致冷水机组不能起动,电动蝶阀开不到位。水泵和冷水机组开机前,应先将管路上的各类阀门打开,再开启水泵和冷水机组。水泵开机设置与电动蝶阀开关状态联锁,只有当阀门开到位后,才能正常开机。同时,冷水机组开机设置与相应的冷冻一次泵和冷却泵联锁,否则容易造成冷水机组跳停。

水系统设备正常开机顺序为:开启阀门→开启冷冻一次泵→开启冷却水泵→开启冷冻二次泵→开启冷却塔→开启冷水机组。水系统设备停机时也应注意设备的关停顺序,为防止冷水机组跳停,应先停冷水机组,再停泵,后关阀,正确的停机顺序为:关停冷水机组→关停冷却泵→关停冷冻二次泵→关停冷冻一次泵→关停冷却塔→关闭阀门。

图2 自动化控制原理示意图

3.2 自控系统事故模式工作原理

自控系统事故模式主要用于爆管等事故状态下,控制设备停机,切断设备电源,并通知相关人员及时处理。其控制模式用计算机汇编语言编程,写入PLC控制系统执行。系统设备运行过程中,安装于水系统管路上的压力传感器、温度传感器和流量计适时检测管路中的运行参数,控制系统根据管路中的运行参数判断整个系统的运行情况。若传感器检测到管路中某处压力和流量下降很快,说明水管某处可能发生爆管,控制系统发出报警信息,指令工作人员前去现场确认。若故障现象持续一段时间,控制系统将执行爆管事故模式,迅速关停所有设备和所有阀门。

4 结论

集中冷站水系统是中央空调系统的关键系统,其运行质量直接关系到空调系统运行性能,而最大限度发挥冷站水系统设备功能的关键,则是设计制定一套科学、合理的控制策略,以保证设备安全可靠的运行。设备控制方案主要包括低压配电控制和设备自动化控制。先进的低压配电控制是整个控制策略的基础,是最为关键的一环,其控制策略的合理性将直接影响设备的正常起动、运行性能和设备安全等。针对大功率电机的起动,设计采用软启动、星—三角启动或变频启动,通过改变电机的启动电压和电阻,降低电机启动电流,改变电机的启动转矩,能有效减少起动瞬时电流对电网的冲击。设备自动化控制大多建立在低压配电系统基础之上,建立与低压配电设备间的通信接口,准确设定与各类设备的通信协议,保证冷站水系统处于最优的运行工况,实现集中冷站的各项设计功能,达到安全、高效、节能的目的。

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